CAE的行星轮系传动分析.pdf

l 訇 基于U G C A E 的行星轮系传动分析 A n a l y s i s o f p l a n e ta ry g e a r tra i n b a s e d o n U G C A E 韦 林 贺晓华 WE I L i n H E X i ao h ua 柳州职业 技术 学院 机 电工程系 柳州 545006 摘要 探讨在UGNX5 O运动分析模块中建立行星轮系的运动仿真模型 分析提交解算后不同的工况下 的仿真结果 然后运用uG NX5 O的有限元分析模块分别对太阳轮 行星轮和齿圈进行了有限 元分析 结果表明 设计的行星轮系在运动学方面能够满足矿用绞车的使用要求 可以避免 因应力问题而造成不良事故 关键词 行星轮系传动 运动仿真 有限元分析 中图分类号 T H 1 32 文献标识码 A 文章编号 1 009 01 34 2011 2 上 oo71 05 D oi 1 0 3969 J i ssn 1 009 01 34 2011 2 E 24 0引言 由于行星齿轮在传递动力时合理地应用 了内 啮合齿轮副 可以进行功率分流 而且其输入轴 与输 出轴具有 同轴性 因此 行星齿轮传动被人 们用来代替普通齿轮传 动作 为各种机械传动系统 中 的减 速 增 速 和 变 速 装置 行 星 齿 轮 传 动 几 乎 可适用于一切功率和转速范围 行星传动技术已 成为 世 界 各 国机 械 传动 发展 的重 点 之 一 目前 借助于计算机辅助技术 对于行星轮 系的设计正 在逐渐 向现代设计方法过渡 从行星齿轮的三维 精确建模优化设计 齿轮 强度 的有限元分析计算 到行 星 传 动 的 噪 声 振 动 控 制 乃 至 动 态 载 荷 计 算等多方面都取得长足进展 本文以某型矿用绞 车 采用 行 星轮 系传 动 为例 讨论 基 于U G N X 5 0软 件 环 境 下 利用 其 C A E 功 能 中的 运 动 分 析模 块 和 有限元分析模块 建立运动机构的模型 分析其 运动规律 通过创建连杆 运动副和载荷等对象 对机 构 进 行运 动 学和 动 力学 仿真 分析 U G C A E 环 境 下 对其 进 行运 动 仿 真 和 有 限 元 分 析 以确 定该 行 星轮 系是 否满足 工作 的需 要 1 行星轮系运动仿真建模及解算 1 1 行星轮系的运动仿真建模 打 开行 星 轮 系 的装 配 模 型 进入 U G N X 5 0的 运 动分 析 模 块 要 对 行 星 轮 系进 行 运动 分 析 首 先要建立行星轮 系的运动仿真模型 根据矿用绞 车 中行 星 轮 系的 工 作 状 况 分 别创 建 连 杆 运 动 副和旋转副 在U G N X 5 0中不能直接在连杆之间 建立齿轮副 需要通过旋转副来建立 并且要根 据实 际情况来指定速度 比率 可用啮合齿轮的齿 数 比来表示 对于外啮合齿轮副 比率取正值 对 于 内啮合 的齿轮 副 比率取 负值 隐藏行星轮系实体 模型 建立好的行星轮 系 运动 仿真 模型 如 图l 所示 图 1 行 星 轮 系 运 动 仿真 模 型 1 2 行星轮系运动仿真解算方案设定 对 行星 轮 系进 行 运 动 仿 真 的 目的主 要 是 为 了 直 观 了解 行 星 轮 系 在 实 际 的工 作 状 态 下 能否 正 常 的 工 作 为 了 方 便 了 解 行 星 轮 系 的 工 作 情 况 可分别设定两个时间长度来进行仿真 一个是行 星轮 系运转一周的时 间长度 主要用于验证行星 轮 系的建模情况 另一个是行星轮系运转一段时 问 包 括 速 度 的上 升 稳 定 和 下 降 三 个阶 段 用 于反映行星轮系在实 际工况下的运行能否满足设 计 要求 因此 可分 别在 U G N X 5 0运动 分 析模 块 中设定相应的解算方案 收稿 日期 20 10 03 3 1 作者简介 韦林 1973 一 女 广西柳州人 副教授 硕士 研究方向为机械C A D CA E 第33卷第2期2011 2 上 71 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 骞 訇 化 1 3 行星轮系运转一周的运动仿真结果分析 1 3 1 行星架 齿圈 太阳轮的速度分析 高 速 档 时 齿 圈 固 定 不 转 转 矩 从 行 星 架 输 入 从 太 阳轮 中心 轴输 出 整个 机 构 是作 升 速变 换 从 图2可 以看 出 行 星轮 系在 运转过 程 中速度 平稳 齿 圈速 度 为 零 与 实 际情 况相 符 合 太 阳 轮 的设计 转速 为 582 74rpm 即61 024rad sec 弧 度每秒 仿真值为6 102E 001rad sec 而且行星 架的速度与太阳轮的实际速度比率为0 35831 仿真 速度比率为0 35841 可见符合程度是非常好的 行星架 齿圈 太阳轮转速 P L NET C RR I E 一 M G V e F oci t ob s V e1 0CI t y L 0bs l SUN CE R一 G Vel 0c i tY ab 8 l 2 E 一 口O 1 l IY 矗 J2 0 0 1 I I 2E oO O I I 2E 0 0 1 I O 十 0 0 0 I J 图2 行星 架 齿 圈 太 阳轮 转 速 1 3 2 行星轮的位移轨迹分析 当行 星 架 为输 入 轴 时 行 星 轮 在工 作 时 即 有 绕本身 圆心的 自转 也有绕太阳轮圆心的公转 其 公转 轨 迹为 一 个 圆 圆 的 直径 为太 阳轮 直径 加 上行星轮直径或者齿 圈直径减去行星轮直径 行 星轮 的位移轨迹能否与其轨迹圆精确重合对行星 轮 系传动的平稳有较大的影 响 因此作运动进行 仿 真 时 需要 获 取行 星 轮 的位 移 轨迹 进 行 分析 行 星 轮的轨 迹如图3 图4所 示 行星轮位移X Y 分量 一 D i s p I o c m e n t a b X l 一 一 一JP 1一 0 i 0 J m e nt 口 b f一 一 JP I Z D i D I m e n t 口 b 图3 行星轮位移轨迹X Y 分量 从 图3 图4可以看 出 行星轮 的轨迹与其理论 的轨迹圆重合度非常高 只有0 1m m 的细小偏差 因 721 第33卷第2期2011 2 上 此可以依据该模型进一步进行下一步的运动仿真 行星轮位移轨述 l Jp 一Y Di jDI ment ob 1I 1 i 7 图4行 星轮 位 移 轨 迹 1 4 行星轮系运转20秒的运动仿真结果分析 高 速 档 行 星 轮 系 运 转 20秒 的 运 动 仿 真 包 括 加 速 稳 速 和 减 速 三 个 阶段 为 模 拟 实 际 的 工 作情 况 假 设 行 星 架 输 人 转 速 的 变 化 为开 始 以4 373 1rad sec 2的 角 加 速 度 线 性 加 速 运 转 5 秒达到 稳定 转速2 1 8655rad sec 即设 计输入 转 速20 8 8rpm 然后保持 匀速 运转 10秒 再 以 4 373 l rad sec 2的角加速度线性减速运转5秒使转速 回归零 完成一个仿真周期 为此需要在行星架 上加载以函数规律定义的角加速度 表达式为 IF ti m e一 5 4 3731 0 IF ti m e一 15 0 0 一 4 3731 行星架 行星轮 太阳轮转速 E 00OI t 7 三 旦 旦 t Ix 6 033 f i V e l o 1 veI oc It y ob l 图5 行星架 行星轮 太 阳轮转速 行星架 行星轮 太阳轮转速 e Acc l e rotI O I 剖 l Jse一 G Ac I r口ti on l 一 一 JP1一 u J 524030EE oOo001 J 图6 行星架 行星轮 太阳轮加速度 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 务l 甸 化 re 平 re 41 16 3 11433J7V 太 阳轮切 向力 F 1 一 c t 5 7 16 N 2 太 阳轮径 向力 F tan 57l 6 tan 20 2080N 8 太 阳轮扭 矩 3 5 7 16 4 3 4 2 10 00 3 14 7 5N m 9 2 2 弯曲应力的有限元分析 对行星轮 系的传动性能有较大影响 在设计 中需要密切注意的主要是接 触应力和弯曲应力 事 实上 这两个应力就是直 接用于确定齿宽和齿 轮 模数 的关 键 指 标 因 此 对 行星 传 动 齿 轮 进行 有限元分析最为关注的就是对弯 曲应力和接触应 力进 行分析 2 2 1 建立弯曲应力有限元分析的模型及方案 进 行 有 限 元 分 析 首 先 要 建 立 有 限 元 分 析 模 型 主 要 就 是 去 除 实体 模 型 上 不 影 响分 析 结 果 的 细节特征并赋予材料 属性 然后在模型上施加齿 轮 所 受 的 载 荷 及 定义 边 界 条 件 最 后进 行 网格划 分 就 得 到 了有 限 元分 析 模 型 不 过 此处 需 要 注 意 的一点是并 不是所有 的结构细节都可 以去除 比 如齿轮 的齿根圆角就应该予 以保留 否则会在该 处产生不正确的应力集中 根据齿轮 的形状和齿 轮 的 受力情 况 采用U G 自带 的3D 四面体 10节 点 网格 进 行 自动 网格 划 分 这 样 生 成 的 有限 元 分 析 模 型 有助于最终获得准确 的分析结果 行星轮 系的有 限 元分析 模型 如图 8所示 o o 图8 太 阳轮 齿 圈 行 星 轮 有 限 兀分 析 模 型 有限元分析模型建立好之后 需要编辑一个 分析方案 以提交解算 分析方案主要包括选择解 算器 通 常选择N X N A ST R A N D E SIG N 确定 分 析 类 型 为 结 构 分析 因 为分 析 的 是 行 星轮 系在 正常工作状态下的受力情况 各构件应该处于弹 性 变 性 的 范 围 内 因 此 解 算 类 型 选 为 线 性 静 力 学 此 外 根 据 需 要还 要 设 定 材 料 的温 变 时便 特 性 等 本次分析不涉及这些 内容 分析 方案建立好 之后 根据 系统的设置 U G N X 5 0会 自动调用其 第33卷第2期2011 2 上 731 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 1生 勺 似 内置 的N x N A ST R A N 解算器进行解算 解算成 功 进 入 后处 理就 可 以看 到所 需 要 的分 析 结 果 了 u G N x 5 0有限元分析模块提供了较为强大的后处 理功能 可以根据不同的意图察看不同的分析结 果 行星轮 系的有限 元分析结 果云 图如 下所示 麓 釜 童 篆 嚣嚣 蚋 一 图9 太阳轮应力云图 童 黔 0 t 2 j 2 图 10 太 阳 轮变 形 云 图 2 2 2 太阳轮的有限元分析结果 通 过 云 图 可 以看 见 太 阳轮 发 生 了变 形 最 大变形量发生在齿冠上 但是只有0 002392m m 对结 构的影 响非常小 不会造 成行 星轮 系的运 转 故 障 最 大 应 力 发 生 在 齿 根 处 最 大值 为 30 88M P a 在许 可应力的安全范 围内 不会造 成 结 构 的破 坏 从 切 应 力 云 图和 应变 云 图 可 以看 出 在轮齿和轴空周围产生较大的切应力 这些 地方的应变相对来说也比较大 虽然数值在安全 的范围内 但要注意齿根 键槽等地方 避免产 生应力集中造成结构破坏 2 2 3 行星轮的有限元分析结果 行星轮的受力与太阳轮相比较有些不同 太 阳轮是在对称的三处承受齿轮啮合力 三个力的 方 向旋 向一 致 而行 星 轮是 在 大 致 相对 称 的 两处 分别于太 阳轮和齿 圈啮合 这两处的啮合力旋 向 是相反的 与行星架所施加的作用力相平衡 因 此从应变云图来看 与太 阳轮和齿 圈相啮合的两 处轮齿变形是最严重的地方 且方 向相向 这也 直 接导 致 了 应力 和 应变 的不对 称 性 在和 啮 合 力 741 第33卷第2期2011 2 上 相向的一侧受压应力 应力水平较高 而与啮合力 相悖的一 侧则受拉 应力 应 力数值较小 此外 应 力最大的地方仍然是齿根 不过与太阳轮不同的 是 行星轮的轴孔附近应力水平明显低于太阳轮 O D 0 一 三 图11 行星轮变形云图 图12 行星轮应力云图 2 2 4 齿圈的有限元分析结果 立 图14 齿 圈变形云图 蠹蘩 I 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 务l 匐 tb 相 对 来 说 齿 圈 是 行 星 轮 系 中受 力 最 为 安 全 的构 件 这 可 以从 齿 圈 的应 力云 图看 出来 齿 圈 的应力最大的地 方仍然发生在齿根 最大应力只 有 14 73M Pa 是全部构件里最小的 相应的 其 变 形也都 是最 小 的 2 3 接触应力的有限元分析 2 3 1 建 立行星轮 系的接触应力有 限元分析的模型及 方案 进 行接 触应 力 分析 会耗 用 大量 的计 算机 资 源 为了保 证分析 的正常进行 本文只取 了三个 行星轮的一 个与太 阳轮啮合 如图l 5所示 根据 图示 的 位置 可知 有 两 对 轮 齿 啮 合 分 别 以太 阳 轮 的 两 个齿 面为 源 接 触 面 以 相 对应 的行 星 轮 齿 面 为 目标 面 建 立 两 对 接 触 面 如 图 l 6 在 行星 轮 的 轴 LJJu上 固 定约 束 在 太 阳轮 的 轴孔 加上 圆柱 约 束 使太阳轮具有绕轴转动的 自由度 然后给太 阳轮施加转矩载荷 划分网格后接触 应力 的有限 元分 析模 型即建 立 完毕 图15 太 阳轮一 行星轮接触示意图 图 16太 阳轮 一 行 星轮 接 触 面 定 义 2 3 2 行 星轮 系的接触应力分析结果 经 过 约 一小 时 的 计算 不 同 的计 算 机 配 置 所 需 的计 算 时 间 也 不 同 U G 完 成 接 触 应 力 的 计 算 进 入 后 处理 功 能 即 可 得 到 如 图 17所 示 的分 析云 图 从 图示可以看出 接触应力发生在两个轮齿 接 触 区域 的 附近 最 大 应 力 发 生 在节 点 最 大 值 为497 7M Pa 接 触 应 力对 齿 轮 的疲 劳 点 蚀 有极 大 的影 响 不过该处